Однофазный однополупериодный выпрямитель

Выпрямители бывают однополупериодными или двухполупериодными в зависимости от того сколько полупериодов переменного тока используется - один или два. По однополупериодной схеме выполняют выпрямители, от которых требуется небольшой ток.

Рис.3.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель (рисунок выполнен авторами)

(а - схема однополупериодного выпрямителя; б - диаграмма входного напряжения; в - диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г - диаграмма и среднее значение тока в нагрузке)

Во время положительной полуволны (в интервале 0 ÷ π ) плюс напряжения на вторичной обмотке трансформатора приложен к аноду диода, а минус - к катоду (рис.3.2, а). Диод открывается, и ток проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод и сопротивление нагрузки Rн на минус вторичной обмотки трансформатора.

Во время отрицательной полуволны (в интервале π ÷ 2π ) на анод диода поступает минус, а на катод - плюс входного напряжения, т.е. к диоду прикладывается обратное напряжение, и он закрыт.

На графике в этот момент на сопротивлении нагрузки нет падения напряжения (рис.3.2, в). Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя ЭДС е₂ соответствующей заданной величине выпрямленного напряжения E_d и обеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети. Параметры, относящиеся к цепи постоянного тока, то есть к выходной цепи выпрямителя, принято обозначать с индексом d (от английского словаdirect - прямой): R_d - сопротивление нагрузки; u_d - мгновенное значение выпрямленного напряжения; i_d - мгновенное значение выпрямленного тока. Для однополупериодного выпрямителя имеются следующие соотношения.

ЭДС обмотки трансформатора синусоидадьна -

e₂=√ 2·E₂·sin Θ, где

θ =ω t, E₂ - действующее значение ЭДС.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

U_d=0, 45E₂.

Постоянная составляющая выпрямленного тока:

I_d=U_d/R_d.

Для данной схемы выпрямления среднее значение анодного тока вентиля I_аср = I_d. Максимальное значение анодного тока:

i_{a max}=√ 2·E₂/R_d=I_d·π.

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле:

U_{обр max}= √ 2·E₂= E_d·π.

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения равен:

K_п=U_{пульс max 01}/U_d = (√ 2E₂/2)/(√ 2E₂/π ) = π /2= 1, 57

Эта схема применяется редко из-за большого коэффициента пульсаций.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Рис.3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой (рисунок выполнен авторами)

(а - схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой; б - диаграмма входного напряжения на диодах VD1 и VD2; в - диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г - диаграмма и среднее значение тока в нагрузке; д - ток в первичной обмотке трансформатора)

Эта схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку Rd и питающихся от находящихся в противофазе ЭДС (рис.3.3, б) e2a и e2b.

Схема обеспечивает прохождение тока через нагрузку в течение обоих полупериодов. Во время положительного полупериода работает первая половина вторичной обмотки (2а). Ток идёт от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, нагрузку R_d и на среднюю точку вторичной обмотки. В это время к аноду диода VD2 приложен минус, а к катоду - плюс, и диод закрыт. Во время отрицательного полупериода картина меняется: будет открыт диод VD2, а диод VD1 - закрыт. В этот полупериод ток протекает за счёт напряжения на обмотке 2b. На рис. 3.3, б, в, г, д представлены временные диаграммы для двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой. В случае активной нагрузки для рассматриваемой схемы действуют следующие соотношения:

E_d=2√ 2 ·E₂/π; U_d=2√ 2 ·E₂/π; I_d=U_d/R_d;

i_{a max}= √ 2 ·E₂ /R_d; i_{а ср} = I_d/2; Uобр max= 2√ 2 ·E_2; K_П ´ = 0, 66

Однофазная мостовая схема

Рис.3.4. Однофазный мостовой выпрямитель (рисунок выполнен авторами)

(а - схема двухполупериодного выпрямитель, мостовая схема; б - диаграмма входного напряжения на диодах мостовой схемы; в - диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г - диаграмма и среднее значение тока в нагрузке)

Мостовая схема является наиболее распространённой. Она также двухполупериодная. Во время положительного полупериода ток проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, сопротивление нагрузки R_d, диод VD3 на минус вторичной обмотки. В это время ко второй паре диодов VD2, VD4 приложено обратное напряжение. Они закрыты. Во время отрицательного полупериода ток протекает через диод VD2, нагрузку R_d, диод VD4. В случае чисто активной нагрузки, пренебрежении индуктивностью обмотки трансформатора и идеальных диодах эта схема имеет следующие основные соотношения:

U_d = 0, 9 E₂; I_d = U_d/R_d; i_{a max} = √ 2·E₂;

I_{a cp} = I_d/2; U_{обр max} = √ 2·E₂; K_П = 0, 66.

Если сравнить мостовую схему и схему со средней точкой, то для получения одинакового напряжения в схеме со средней точкой вторичная обмотка должна иметь большее количество витков, чем в мостовой схеме. Это увеличивает размеры трансформатора. В этой же схеме к диодам прикладывается вдвое большее напряжение, чем в мостовой. Учитывая это, предпочтение отдаётся мостовой схеме, хотя здесь и требуется больше диодов. При выборе диодов для выпрямителя выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.

Сглаживающие фильтры

Рассмотрим следующую схему сглаживания выпрямленного напряжения.

Рис.3.5. Сглаживание пульсаций с помощью емкостного фильтра (рисунок выполнен авторами)

(а - схема однополупериодного выпрямителя; б - диаграмма входного напряжения; в - диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке (пунктирной линией - без сглаживающего фильтра, красной линией - с емкостным фильтром)

На сопротивлении нагрузки выделяется пульсирующее напряжение, форма которого значительно отличается от формы постоянного напряжения. Для сглаживания пульсирующего напряжения используются сглаживающие фильтры, которые состоят в большинстве случаев из конденсатора и дросселя. Конденсатор сглаживает пульсирующее напряжение, а дроссель задерживает переменную составляющую сглаженного напряжения от попадания в нагрузку. В настоящее время функции дросселя выполняют стабилизаторы напряжения. Принцип сглаживания можно проследить по графику (рис.3.5, в). Красной линией показано напряжение на конденсаторе (или сопротивлении нагрузки). Сглаживание напряжения происходит за счёт того, что во время уменьшения пульсирующего напряжения ток в нагрузке, а, следовательно, и напряжение на R_н, поддерживаются напряжением зарядившегося конденсатора. При возрастании пульсирующего напряжения конденсатор снова подзаряжается и так далее. Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:

Xc= 1/mω C, где m - пульсность схемы, т.е. количество пульсаций за период.

Для однофазного однополупериодного выпрямителя m = 1, для однофазного двухполупериодного со средней точкой и мостового выпрямителя m = 2.

Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется типом сглаживающего фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются простейшие ёмкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой мощности используются Г-образные LC и RC-фильтры и П-образные СLC и СRC-фильтры. Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания:

k= k_Псх/k_Пн,

где k_псх - коэффициент пульсаций на входе фильтра; k_пн - коэффициент пульсаций на нагрузке. Ёмкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Применение ёмкостного фильтра рационально при достаточно больших значениях сопротивления нагрузки и коэффициента пульсаций на нагрузке. Фильтр состоит из конденсатора, включенного параллельно нагрузке (рис. 3.5, а). Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с ёмкостным фильтром находят по выражению:

k_П = 1/mω R_н

Индуктивно-ёмкостные фильтры (Г-образный LC-фильтр и П-образный CLC-фильтр) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. КПД у таких фильтров достаточно высокий. Недостатки индуктивно-ёмкостных фильтров: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Наиболее широко используется Г-образный LC-фильтр (рис. 3.6). Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий:

X_c= 1/mω C< < R_н; X_{L =} mω L > > X_c.

Рис.3.6. Индуктивно-ёмкостный сглаживающий фильтр -

Г - образный при учитывании только LC₁ и П - образный C₀ LC₁ (рисунок выполнен авторами)

При их выполнении, пренебрегая потерями в дросселе L, для коэффициента сглаживания можно записать:

g = (mω )²LC - 1

Для того, чтобы избежать резонансных явлений в фильтре необходимо выбирать q> 3. Кроме этого, одним из основных условий является обеспечение явно выраженной индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, необходимой для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя. Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы:

L ≥ 2U_d/(m² - 1)mω ·I_d = 2R_н/(m² - 1)mω.

П-образный CLC-фильтр отличается от описанного LC-фильтра наличием еще одной ёмкости C₀, включаемой на входе фильтра. Расчет таких фильтров производят в два этапа, сначала рассчитывают ёмкость конденсатора C₀, исходя из допустимой величины пульсации напряжения на нем, затем по приведенным выше формулам рассчитывают Г-образное звено. Наибольший коэффициент сглаживания в П-образном фильтре достигается при C₀ = C₁.

При выборе конденсаторов фильтра следует следить за тем, чтобы они были рассчитаны на напряжение на 15...20% превышающее напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети (чтобы учесть перенапряжения, возникающие при включении выпрямителя). Необходимо также, чтобы амплитуда переменной составляющей напряжения на них не превышала предельно допустимого значения.

Резистивно-ёмкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10...15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания. Достоинства этих фильтров - малые габариты и масса, низкая стоимость. Недостаток - сравнительно большое падение напряжения на фильтре (что снижает КПД устройства выпрямления в целом).

Простейший Г-образный RC-фильтр (рис. 3.7) состоит из балластного резистора Rф и конденсатора С₁. Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле:

g = mω C · R_нR_ф/ (R_н+R_ф).

Рис. 3.7. Резистивно-ёмкостный сглаживающий фильтр - Г - образный при учитывании только R_Ф C₁ и П - образный C₀ R_Ф C₁ (рисунок выполнен авторами)

Сопротивление фильтра R_ф выбирают из условия допустимого падения напряжения на фильтре или исходя из заданного КПД η по формуле:

R_ф = R_н(1-η )/η

Комбинированные фильтры применяются при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя. Они представляют собой последовательное включение нескольких фильтров. При каскадном включении LC-фильтров можно считать, что суммарный коэффициент сглаживания (q_ф) равен произведению коэффициентов сглаживания составляющих фильтр звеньев:

q_ф = q₁q₂q₃...q_n

 

(Петрович В. П., 2008). Для нахождения оптимального числа звеньев такого фильтра n_опт при заданном q_ф можно воспользоваться формулой:

n_опт = |ln(1/g_Σ )|/2.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Однополупериодный выпрямитель: временные диаграммы, основные характеристики, достоинства и недостатки.
2. Проектирование выпрямительной схемы
3. С прямым включением выпрямительного диода
4. Структурная схема блока питания, назначение и описание её элементов. Силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизатор.
5. Точный выпрямитель: принцип работы, область применения. Достоинства и недостатки.